素数判定与大数分解【Miller-rabin算法】【pollard-rho算法】

对应练习题：SDNUOJ1 1286

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1.Miller-rabin算法：

Miller-rabin算法是一个用来快速判断一个正整数是否为素数的算法。

根据费马小定理，如果p是素数，则a^(p-1)≡1(mod p)对所有的a∈[1,n-1]成立。所以如果在[1,n-1]中随机取出一个a，发现不满足费马小定理，则证明n必为合数。

【但是每次尝试过程中还做了一个优化操作，以提高用少量的a检测出p不是素数的概率。这个优化叫做二次探测。它是根据这个定理：如果p是一个素数，那么对于x(0<x<p)，若x^2%p=1，则x=1或p-1。】

为了计算a^(n-1)mod n，我们把n-1分解为x* 2^t的形式，其中t>=1且x是奇数；因此，a^(n-1)≡(a^x)^(2^t)(mod n),所以可以通过先计算a^x mod n,然后对结果连续平方t次来计算a^(n-1) mod n。一旦发现某次平方后mod n等于1了，那么说明符合了二次探测定理的逆否命题使用条件，立即检查x是否等于1或n-1，如果不等于1也不等于n-1则可直接判定p为合数。

2.pollard-rho算法：

这是一个用来快速对整数进行质因数分解的算法，需要与Miller-rabin共同使用。

算法原理：

1.通过某种方法得到两个整数a和b，而待分解的大整数为n。

2.计算p=gcd(a-b,n)，直到p不为1(就是a-b与n不是互质)，或者a，b出现循环为止。

3.然后再判断p=n？

4.如果p=n，那么返回n是一个质数。

5.否则返回p是n的一个因子，那么我们又可以递归的计算Pollard(p)和Pollard(n/p)，这样，我们就可以求出n的所有质因子。

算法步骤：选取一个小的随机数x1，迭代生成x[i] = x[i-1]^2+c，一般取c=1，若序列出现循环则退出，计算p=gcd(x[i-1]-x[i],n)，若p=1则返回上一步继续迭代，否则跳出迭代过程。若p=n，则n为素数，否则p为n的一个约数，并递归分解p和n/p。

【小知识】：随机数生成

C++中函数srand（），可以指定不同的数（无符号整数变元）为种子。但是如果种子相同，伪随机数列也相同。

比较理想的是用变化的数，比如时间来作为随机数生成器的种子。 time的值每时每刻都不同，即种子不同，所以，产生的随机数也不同。

用法什么的想深入了解自己去搜吧，这里只要明白下面的程序中随机数是这样产生的就行了。然后，在这里再举个小栗子以加深一下对它的理解：

[cpp] view plain copy print ?

#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <ctime>//这个必须有
using namespace std;
int main()
{
int a = 100;
srand( time(NULL));
while(a--)
cout << rand() << endl;
return 0;
}
//这个程序的作用是产生100个随机数
//如果你和我一样有颗童心去多试几次的话你会发现——每次产生的随机数都不一样
//噫是不是狠有趣(。＾▽＾)

学了这么多是不是手痒了？别着急，点我有惊喜。

AC代码（C++【因为涉及到ctime，所以G++会RE的】）：

[cpp] view plain copy

print ?

/* *************************************************
*
* Miller_Rabin 算法进行素数测试
* 速度快，可以判断一个 < 2^63 的数是不是素数
*
**************************************************/
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <ctime>
using namespace std;
const int S = 8;//随机算法判定次数，一般8~10次就够了
//计算ret = (a*b)%c a, b, c < 2^63
long long mult_mod(long long a, long long b, long long c)
{
a %= c;
b %= c;
long long ret = 0;
long long tem = a;
while(b)
{
if(b & 1)
{
ret += tem;
if(ret > c) ret -= c;//直接取模慢很多
}
tem <<= 1;
if(tem > c) tem -= c;
b >>= 1;
}
return ret;
}
//计算 ret = (a^n) % mod
long long pow_mod(long long a, long long n, long long mod)
{
long long ret = 1;
long long tem = a % mod;
while(n)
{
if(n & 1) ret = mult_mod(ret, tem, mod);
tem = mult_mod(tem, tem, mod);
n >>= 1;
}
return ret;
}
// 通过 a^(n-1)=1(mod n)来判断n是不是素数
// n-1 = x * 2^t 中间使用二次判断
// 是合数返回true，不一定是合数返回false
bool check(long long a, long long n, long long x, long long t)
{
long long ret = pow_mod(a, x, n);//a^x % n
long long last = ret;
for(int i = 1; i <= t; ++i)//进行t次(a^x % n)^2 % n
{
ret = mult_mod(ret, ret, n);
if(ret == 1 && last != 1 && last != n - 1) return true;//合数
last = ret;
}
if(ret != 1) return true;
return false;//不一定是合数
}
//**************************************************
// Miller_Rabin算法
// 是素数返回true,(可能是伪素数)
// 不是素数返回false
//**************************************************
bool Miller_Rabin(long long n)
{
if(n < 2) return false;
if(n == 2) return true;
if( (n&1) == 0) return false;//偶数
long long x = n - 1;
long long t = 0;
while( (x&1) == 0) //将n分解为x*2^t;
{
x >>= 1;
t++;
}
srand( time(NULL));
for(int i = 0; i < S; ++i)
{
long long a = rand()%(n-1) + 1;//产生随机数a(并控制其范围在1 ~ n-1之间)
if(check(a, n, x, t))//是合数
return false;
}
return true;
}
//**********************************************
//
// pollard_rho 算法进行质因素分解
//
//*********************************************
int tol;//质因数的个数，编号为0~tol-1
long long factor[100];//质因素分解结果(刚返回时是无序的)
long long gcd(long long a, long long b)
{
long long t;
while(b)
{
t = a;
a = b;
b = t % b;
}
if(a >= 0) return a;
return -a;
}
//找出一个因子
long long pollard_rho(long long x, long long c)
{
long long i = 1, k = 2;
srand( time(NULL));
long long x0 = rand()%(x-1) + 1;//产生随机数x0(并控制其范围在1 ~ x-1之间)
long long y = x0;
while(1)
{
i++;
x0 = (mult_mod(x0, x0, x) + c) % x;
long long d = gcd(y - x0, x);
if(d != 1 && d != x) return d;
if(y == x0) return x;
if(i == k)
{
y = x0;
k += k;
}
}
}
//对n进行素因子分解，存入factor。 k设置为107左右即可
void findfac(long long n, int k)
{
if(n == 1) return ;
if(Miller_Rabin(n))//是素数就把这个素因子存起来
{
factor[tol++] = n;
return ;
}
int c = k;
long long p = n;
while(p >= n)
p = pollard_rho(p, c--);//值变化，防止陷入死循环k
findfac(p, k);
findfac(n/p, k);
}
int main()
{
int T;
long long n;
scanf("%d",&T);
while(T--)
{
scanf("%lld",&n);
if(Miller_Rabin(n)) cout << "Prime" << endl;
else
{
tol = 0;
findfac(n, 107);
long long ans = factor[0];
for(int i = 1; i < tol; ++i)
ans = min(ans, factor[i]);
cout << ans << endl;
}
}
return 0;
}